东北农业大学课程考核
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微生物在石油化工、采矿业中的应用
【摘要】
石油，是重要的能源和化工工业的原料，它在工农业生产中起着举足轻重的作用。然而， 由于长期的开采，贮量下降，许多矿井用常规技术已不能开采而被废弃。但事实上，地下油 层 60％为粘滞性强的油，常规开采对这部分油束手无策，只有白白地任其报废。
图1 柏坊铜矿铜轴混合尾矿细菌地下浸出生产实例
二、安徽铜陵有色金属公司松树山铜矿细菌地下浸出生产实例 该矿老崩落区地表覆盖层厚14～15m，有露头、红土层和粘土层，铁帽含铜0.2%～0.5%，
粘土层含铜0.2%～0.25%，地面已陷落形成漏斗，岩石疏松，渗透怀好，往下渗透最深可达 70m，覆盖层以下至5m 阶段存有残矿172万吨，品位1.2%Cu，含金属铜量约2000t。其中原生 硫化铜占34.2%，氧化铜占35.1%，露头中含铜占30.7%。
微生物采油是利用微生物代谢产生的聚合物、 表面活性剂、 二氧化碳及有机溶剂等物 质进行有效的驱油。微生物采油技术与其它采油技术相比,具有适应范围广、 工艺简单、 投 资少、 见效快、 无污染等特点,是目前开采油藏中剩余油和利用枯竭油藏最好的廉价方法, 并且更符合环保要求。微生物采油技术起源于美国[ 7],从 1930 年至今 70 余年的发展,已 成为国内外发展迅速的一项提高原油采收率的技术,也是二十一世纪的一项高新生物技术。 它的发展经历了: 1930 年~ 1965 年的起步与探索、 1965 年~ 1980 年的迅速发展、1980 年 ~ 1990 年的深入研究和矿场应用见效、 1990 年 ~目前的现代微生物采油技术的发展等四个 阶段。现代微生物采油技术的发展阶段主要是现代生物技术在微生物采油上的应用阶段。美 国应用现代生物技术重组微生物菌体, 构建基因工程菌,使微生物菌种具有较高的性能,大
【关键词】
石油化工 采矿 环境保护 微生物
0 前言：
随着生物技术的发展,微生物在采矿工业及石油开采中作用也十分显著。微生物采矿技 术主要有细菌浸出法和金属富集生物技术,生物学家已经将基因工程技术应用到采矿工业,以 提高微生物的效能,并使它们能在更多种类的矿产上发挥其功效[1]。石油开采中有许多生物 技术,最主要的是微生物勘探技术和微生物采油技术。
微生物在石油开采中的应用范围是比较小的，但微生物在化工工业中应用却极为广泛。 我们知道，酒精这种重要的工业原料和溶剂过去一直是用微生物发酵法来生产的。本世纪 50 年代由于石油工业的发展，用石油裂解法制造酒精简便而低廉，因而很快取代了发酵法。 但由于近几年来，石油资源枯竭日紧，油价上涨，又导致人们把兴趣转移到发醇上来。
[3] 李蔚. 提高重油采收率的生物技术 [ J]. 国外油田工程, 1999 , ( 12): 7~ 10 . [4]王惠、 卢渊、 伊向艺, 国内外微生物采油技术综述 [ J]. 大庆石油地质开发, 2003 , ( 10 ): 49 ~ 52 [ 5] 吴会中, 戴长虹, 宋祖伟. 现代生物技术在废水处理中的应用进展 [ J]. 环境污 染治理技术与设备, 2003 ( 5). [6]黄曼、刘倩倩 .科技资讯[J] 2011（22）：18~22 [7]何国英、金问龙 采矿技术[J] 1988（11）23~24 [8]潘丹丹 山东冶金[J] 1994 （2）77~79 [9]任永云 谈谈我省若干金属矿床的综合勘探和综合评价[J];四川地质学报;1980（06）
细菌浸出技术随着工业的迅猛发展和人民生活水平的不断提高,金属的需求量也日益增 长,但是经过多年的开采,高品位,易选矿产资源日趋减少,人们不得不考虑开发利用低品位的 资源。目前,细菌浸出技术在铜矿和铀矿的开采中得到广泛应用。1953 年葡萄牙开始进行铀 矿自然浸出的研究,1956 年在第二届国际和平利用原子能大会上发表了“铀的自然浸出法”的 报告,随后又发展了堆浸法。1966 年加拿大在采空区利用细菌浸出铀的研究中获得成功[10]。 1958 年自美国细菌浸铜法的研究和工业应用成功之后,该技术已在世界 50 多个国家和地区 得到了应用和发展,对开发利用低品位、复杂、难选铜矿石起到了积极的作用,现已成为工业 生产铜的主要方法之一。 应用实例： 一、湖南水口矿务局柏坊铜矿铜轴混合尾矿细菌池浸生产 该矿积存重选和浮选尾矿2万余吨，品位为铜0.5%～1.5%铀0.02%～0.03%，均为氧化矿。为 回收铜铀，决定采用细菌池浸。浸出前为避免溶浸液与碱性脉石产生水解，需先用硫酸中和， 使矿石呈酸性（pH＝2左右），然后用含菌的硫酸高铁溶浸液在涂有沥青的池内进行浸出。浮 选尾矿的铜、铀浸出率分别为92%和90%，重选尾矿则分别为82%和90%。浸出的富液先加活性 炭净化，再用离子交换树脂（上海产717型强碱性阴离子树脂）吸附铀，获得达到国家一级 品质量标准的铀浓缩物；铀吸附后的含铜富液用废铁置换以回收铜，转换率为96%～98%，所 得海绵铜品位为60%～70%。经连续七年多的生产，共产出海绵铜110多吨，铀浓缩2吨多[11]。 柏坊铜矿铀混合尾矿细菌浸出工艺流程如图1。
随着微生物培养技术及菌种数测定方法的不断改进, 利用微生物勘探石油的技术得到 迅速发展。根据直接探测油气的有关理论,地下烃类的向上渗透使地表和地球化学环境发生 了变化。从生物圈角度来看,无论是根植于地下的较高等植物,或是散布于其间的低等生物, 都会发生变异,用现代生物分析检测手段(如微生物微量元素分析、 毒素分析、 DNA 的 PCR 扩增技术检测)检测这种变异, 再经过适当的数据处理,就可能达到预测油气藏的目的。现代 石油工业根据石油的生物标志特征可以研究判断石油的生成相和油源。 [ 5]我国石油工作 者就是利用生物标志特征判断出柴达木盆地西部剖面油砂和沥青的前身原油是成熟原油,它 具有水体相对较深的湖相有机质形态,其源岩应该是侏罗系的。 [ 6]随着生物技术在石油勘 探领域应用的拓宽与深化, 生物与石油相关规律的研究将会取得更大的成果,有可能在深山 密林、 深海谷底、 冰川、 南北极等尚未开发的环境区域,探测到更多的油气矿藏,大大提 高石油的储采比,增加石油储备。
厌氧处理系统： 在缺氧条件下，利用厌氧菌(包括兼性厌氧菌)分解污水中有机污染物的方法，又称厌氧 消化或厌氧发酵法。因为发酵产物产生甲烷，又称甲烷发酵。此法既能消除环境污染，又能 开发生物能源，所以倍受人们重视。污水厌氧发酵是一个极为复杂的生态系统，它涉及多种 交替作用的菌群，各要求不同的基质和条件，形成复杂的生态体系[16]。
大促进和发展了生物技术在微生物采油中的应用[8]。 PCR 与 DNA 芯片技术结合,可以对微 生物采油菌种的油藏适应性、 地下运移能力、 增殖和增采能力进行准确可靠的认证, 可以 对油田地层中存在的微生物群落进行详细调查,并以此对具有微生物采油作用的菌加以利用, 对有害菌进行有效防治,进而研究微生物的驱油增产机理,为调整各项工艺,优化方案设计和 把握实验进程提供可靠依据[9]。 1.2 微生物在采矿业中的应用
[10]胡张福 江西某锑矿矿石工艺性质研究[J] 南方冶金学院学报 1980 （08）
图2 松树山铜矿细菌地下浸出工艺流程 1.3微生物在环境保护中的应用
生物处理根据其处理过程中氧的状况，可分为好氧处理系统与厌氧处理系统[12]。 好氧处理系统： 微生物在有氧条件下，吸附环境中的有机物，并将其氧化分解成无机物，使污水得到净 化，同时合成细胞物质。微生物在污水净化过程，以活性污泥和生物膜的主要成分等形式存 在。 活性污泥法：又称曝气法，是利用含有好氧微生物的活性污泥，在通气下使污水净化的 生物学方法。此法是现今处理有机废水的最主要的方法。它是利用某些微生物在生长繁殖过 程中形成表面积较大的菌胶团来大量絮凝和吸附污水中的有机物，并在氧的作用下，将这些 物质同化为菌体的成分，或将其分解为 CO2、水等物质，从而达到降低污水中有机污染物 的目的。所谓活性污泥是指由菌胶团形成菌、原生动物、有机和无机胶体及悬浮物组成的絮 状体。在污水处理过程中，它具有很强的吸附、氧化分解有机物或毒物的能力[13]。在静止 状态时，又具有良好沉降性能。活性污泥中的微生物主要是细菌，占微生物总数的 90%～ 95%。,并多以菌胶团的形式存在，具有很强的去除有机物的能力，原生动物起间接净化作 用[14]。 生物膜法：生物膜法是模拟自然界中土壤自净的一种污水处理法，它是利用微生物群体 附着在固体填料表面而形成的生物膜来处理污水的一种方法。因此，生物膜法又称为固定膜 法。生物膜一般呈蓬松的絮状结构，微孔较多，表面积很大，有很强的吸附作用。废水中的 有机物流入时，被膜上的微生物吸附，进行生物降解，从而使废水得到净化。生物膜随着微 生物群体的生长增加而逐渐增厚，到一定程度时，它会由于受到水力的冲刷而不断剥落，同 时又会不断地形成新的生物膜，而达到动态平衡[15]。
由于人们大量的开采，许多富矿都被开采贻尽，留下不少贫矿和尾矿，这些矿品位很低， 采用一般的火法冶炼在经济上是不合算的。虽然这些贫矿、尾矿品位低，但它们总量极大， 各种金属贮量远超过已开采的高品位矿[2]。因此，开发前景还是很大的。但是，如何来利 用这些矿呢？科学家发现，自然界中生活的一些细菌可以浸出许多种金属，如氧化硫硫杆菌、 氧化硫铁杆菌等，它们能将铜、钴、镍、锰从矿石中浸出，甚至能将黄金、铀从矿石中“挖” 出来。
如何才能把这部分油采掘出来呢？科学家们想尽了办法，最后他们把注意力集中到微生 物上来，因为许多微生物能把长链烃降解 为短链烃，使石油粘滞性减小，气压增加，从而 可以提高出油率。因此，利用微生物可以第三次采油。
微生物采矿技术主要有细菌浸出法和金属富集生物技术,生物学家已经将基因工程技术 应用到采矿工业,以提高微生物的效能,并使它们能在更多种类的矿产上发挥其功效。石油开 采中有许多生物技术,最主要的是微生物勘探技术和微生物采油技术。
该矿决定采用细菌地浸法回收残矿中的铜。从细菌培养池来的含菌溶浸液（pH＝1.9～ 2.2，Fe3＋3～5g/L，Fe2＋1～3g/L）被喷洒在面积约4000m2的地表淋浸场上，通过覆盖层渗漏 至地下浸出残矿，浸出液则经由老坑道汇集至富液仓，由泵提升至地面后，进入置换柱用废 铁置换得海绵铜。置换后的贫液经细菌培养池加入硫酸和硫铵以调节 pH 值和植入细菌后仍 返回浸出。溶浸液平均日液流量为675m3；浸出液平均日流量为365m3，含铜0.41g/L，月浸出 铜平均4610kg，最高日产铜323kg，置换后贫液含铜0.067g/L，置换回收率93%产品海绵铜品 位约60%。 松树山铜矿细菌地下浸出工艺流程示如图2。